Misurazione delle forze e comportamento delle molle

Misura dinamica della forza

Per misurare una forza possiamo servirci dell'effetto che essa produce sul corpo a cui è applicata. Per esempio, la forza applicata a un corpo libero, cioè non sottoposto ad altre forze, ne modifica la velocità; perciò possiamo misurare il cambiamento di velocità per ottenere il valore della forza. In questo caso si parla di misura dinamica della forza. Per utilizzare questo metodo occorre conoscere il legame quantitativo tra la forza e il cambiamento di velocità.

Deformazione e costante elastica

Se invece una forza deforma il corpo a cui è applicata, possiamo misurare la deformazione per risalire al valore della forza. Per esempio, quando una molla viene tirata la sua lunghezza aumenta; più la molla viene tirata più si allunga. L'allungamento è la differenza tra la lunghezza della molla sottoposta a una forza e la lunghezza iniziale.

Quando il peso raddoppia, la lunghezza non diventa doppia, però il relativo allungamento raddoppia; quando il peso triplica anche l'allungamento triplica e così via. Possiamo perciò affermare che:

Indichiamo con k il valore della costante, con P il peso e con a l'allungamento.

k si chiama costante elastica della molla e nel SI è espressa in newton su metro (N/m).

Ogni molla ha una propria costante elastica, che dipende dalle caratteristiche geometriche e dal matreriale in cui è fatta.

Limiti di elasticità delle molle

Una molla però non può sopportare un peso qualsiasi, cioè ha un limite di elasticità.

Un peso che supera il limite di elasticità, indicato Pc, provoca una deformazione permanente della molla.

Il peso applicato a una molla e l'allungamento prodotto sono direttamente proporzionali sono finché la molla mantiene la sua elasticità, cioè se, tolta la causa della deformazione, ritorna nelle condizioni iniziali.

Funzionamento del dinamometro

Lo strumento che misura il peso è il dinamometro, costituito da una molla inserita in un involucro cilindrico. Esso si basa sul fatto che il peso applicato alla molla e l'allungfamento corrispondente sono direttamente proporzionali.

Per utilizzare una molla come dinamometro bisogna tararla, cioè costruire una scala. La taratura consiste nel misurare gli allungamenti prodotti da pesi di cui si conosce il valore. Quando la molla è stata tarata, per conoscere il peso di un oggetto qualsiasi, per esempio un mazzo di chiavi, si appende l'oggetto all'estremo libero del dinamometro e si guarda sulla scala la posizione dell'indice.

Il dinamometro può misurare anche forze diverse dal peso. Per esempio, se tiriamo il gancio del dinamometro con una mano, esso misura la forza muscolare con cui stiamo tirando.

A causa del limite di elasticità delle molle, il dinamometro può misurare solo pesi, o in genere, forze di intensità minori del valore critico della molla. Per questo motivo ogni dinamometro ha una portata, che è la forza massima che può misurare senza che subisca deformazioni permanenti.

Forza di richiamo e legge di Hooke

Quando tiriamo una molla fissata a un estremo, sentiamo che la molla reagisce con una forza che tende a farla tornare nella posizione iniziale. Questa forza di reazione, che chiamiamo forza di richiamo o forza elastica si oppone a quella che esercitiamo per allungare la molla ed è tanto maggiore quanto più grande è l'allungamento che provochiamo nella molla.

Anche se comprimiamo una molla di un tratto s sentiamo che c'è una forza che si oppone alla compressione e che aumenta all'aumentare della compressione.

In entrambi i casi la forza di richiamo si oppone allo spostamento della molla ed è direttamente proporzionale alla deformazione, quindi segue la legge di Hooke.